陳健++雷錚強等

摘要： 為對含凹陷的油氣管道進行更合理的完整性評價，采用有限元法模擬管道在承受外部巖石擠壓時的應變分布，討論凹陷深度、管道壁厚和擠壓體大小等參數(shù)對應變的影響.結果表明：在相同條件下，最大等效應變隨凹陷深度增大而增大；在同樣深度條件下，管壁較厚處的凹陷最大等效應變較大；擠壓體半徑越大，凹陷的輪廓越光滑，應變集中程度越小；管材等級對等效應變的影響很小.該方法和結論可用于改進凹陷評價方法和風險排序.

關鍵詞： 油氣管道； 凹陷； 完整性評價； 失效； 風險排序； 應變； 有限元法

中圖分類號： TE88文獻標志碼： B

0引言管道是油氣運輸?shù)闹饕侄?，是我國能源輸送的大動脈.截止到2013年底，我國長輸油氣管道總長度已達10.6萬km，預計到2015年將達15萬km.油氣管道在我國國民經(jīng)濟建設中起重要作用.但是，長輸油氣管道壓力高、管徑大，一旦發(fā)生失效，會導致嚴重的后果.

凹陷是由于管道與其他物體的物理接觸導致管道橫截面發(fā)生變形，是長輸油氣管道的最常見缺陷之一.凹陷可能發(fā)生在管道施工期間，由搬運、回填過程中的碰撞或巖石障礙等原因?qū)е拢灰部赡馨l(fā)生在管道服役期間，由挖掘設備、巖石等外物的壓砸等原因?qū)е?凹陷對管道安全運行的影響表現(xiàn)在2個方面：一方面，凹陷會引起管體局部應力、應變集中，尤其當凹陷與裂紋、劃傷或焊縫缺陷相關時，容易導致管道發(fā)生斷裂失效；另一方面，凹陷縮減管道的有效內(nèi)徑，進而影響管內(nèi)介質(zhì)的輸送，同時阻礙清管器和內(nèi)檢測器等設備在管中的正常運行，給管道的管理帶來困難.因此，如何對含凹陷管道進行合理的完整性評價和有針對性的修復成為亟待解決的問題.

2基于有限元的凹陷應變分析

2.1有限元模型

對于實際的含凹陷管道，其應力、應變分布很難測量，而在有限元模擬中可以很方便地獲得應力和應變等參數(shù)，有助于判斷含凹陷管體的最危險位置，更好地研究管體的失效行為.對于管道凹陷的有限元模擬，其難點在于問題的非線性，同時需要考慮接觸非線性、幾何非線性和材料非線性.

本文以Φ720 mm的X70鋼管道為主要研究對象，模擬管道在巖石擠壓下的變形，重點分析等效應變的分布和最大值.對于管線鋼的非線性應力應變關系，使用RambergOsgood本構模型描述.擠壓巖石選用花崗巖的材料參數(shù)，由于擠壓巖石相對于被擠壓管道來說剛度要大得多，因此可以直接使用線性應力應變關系.模擬中使用的主要材料參數(shù)見表1.

材料密度/（kg/m3）彈性模量/GPa屈服強度/MPa抗拉強度/MPa

管材（X70）7.8206483570

巖石（花崗巖）2.6780

為更好地模擬被擠壓管道的非線性行為，同時合理減少計算時間，使用高階殼結構單元SHELL 281作為管體的單元類型，擠壓巖石使用高階實體結構單元SOLID 186.擠壓巖石與管道之間的接觸采用面面接觸進行定義.由于被擠壓管道剛度較低，將其定義為“目標面”，使用三維目標單元TARGE 170.擠壓巖石剛度較大，將其定義為“接觸面”，使用三維8節(jié)點接觸單元CONTA 174.

最終劃分的有限元網(wǎng)格見圖2.由于被擠壓管道僅在局部產(chǎn)生較大變形，所以只截取被擠壓側1/2管道進行建模.擠壓巖石假定為球形，同樣也只截取1/2建模.

2.2模擬結果和分析

圖3給出Φ720 mm×8 mm的X70鋼管道被4 mm半徑球形巖石擠壓出10%管道外徑深度凹陷后的等效應變分布圖，可以看到等效應變最大值出現(xiàn)在凹陷底部最深處，達到0.339，往外迅速減小，距離凹陷較遠處應變很小.

表2給出Φ720 mm×8 mm的X70鋼管道被4 mm半徑球形巖石分別擠壓出5%，10%，15%和20%管道外徑深度凹陷后的模擬結果.在同樣條件下等效應變最大值隨著凹陷深度增大而增大，可見，在同樣條件下，凹陷越深對管道完整性的影響越大.

表3給出壁厚分別為8，9和10 mm的Φ720 mm X70鋼管道被4 mm半徑球形巖石擠壓出5%管道外徑深度凹陷后的模擬結果，可見，在同樣條件下等效應變最大值隨著壁厚增大而增大.這是由于管道壁厚越大剛度越大，產(chǎn)生同樣深度的凹陷實際應變集中程度越大.因此，在同樣深度條件下，應優(yōu)先修復壁厚較大處的凹陷.

表4給出Φ720 mm×8 mm的X70鋼管道分別被4，8和10 mm半徑球形巖石擠壓出5%管道外徑深度凹陷后的模擬結果，可見，在同樣條件下等效應變隨著擠壓巖石的半徑增大而減小.這是由于擠壓巖石半徑越大，凹陷的輪廓越平滑，應變集中程度也越小.因此，在同樣深度條件下，應優(yōu)先修復軸向長度或環(huán)向?qū)挾容^小的凹陷.

表5給出Φ720 mm×8 mm的X70和X52鋼管道分別被4 mm半徑球形巖石擠壓出5%管道外徑深度凹陷后的模擬結果.結果表明：兩者的等效應變最大值非常接近，X70鋼管道的結果稍大于X52鋼管道的.這是由于被擠壓管道的變形主要由剛度決定，不同等級管材的彈性模量相近，只是強度有所區(qū)別，因此，剛度相近，變形程度也相近.X70鋼管道剛度略高，因此產(chǎn)生同樣深度的凹陷實際應變集中程度略大.還需要指出：當管材為X52時，求解所需要的時間大幅度增加.這是由于單元剛度越低，非線性程度越大，為滿足收斂條件進行迭代計算的次數(shù)也越多.因此，在使用有限元進行非線性分析時，經(jīng)常會在合理的范圍內(nèi)人為提高剛度以減少計算時間.在凹陷等管體變形模擬中也可以視情況考慮使用這種做法.

3結論

針對油氣管道凹陷評價問題，采用有限元法模擬管道在承受外部巖石擠壓時的應變分布，討論凹陷深度、管道壁厚和擠壓體大小等參數(shù)對等效應變最大值的影響.研究結果表明：有限元模擬可以得到工程實際中難以測量的應力和應變等參數(shù)，有助于凹陷失效風險的評估.本文的分析方法和結論可用于驗證和改進基于應變的凹陷評價方法，也對凹陷風險排序和制定修復計劃提供指導.

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（編輯于杰）